Chuyển đổi Kết nối Cạnh SMA trong PCB RF

Trong dự án mô-đun bộ khuếch đại công suất gần đây của tôi, tôi đã trình bày cái nhìn tổng quan về cách bố trí và định tuyến các thành phần khác nhau trong một mô-đun công suất sử dụng một số thành phần cơ bản. Trong mô-đun này, các đầu nối cạnh SMA đã được sử dụng để cung cấp năng lượng và đưa ra tín hiệu RF được tạo ra ở tần số 6.3 GHz. Nhưng có một điều tôi quên không bao gồm trong một trong những footprint đầu nối SMA của mình: khoảng hở đất dưới một trong các miếng hàn trong footprint SMA.

Tôi cảm thấy hơi xấu hổ vì hệ thống là cơ sở cho dự án ví dụ này đã bao gồm khoảng hở đất. Trong một số thiết kế RF, điều quan trọng là phải bao gồm khoảng hở đất chính xác dưới một số thành phần nhất định như một phần của việc điều chỉnh trở kháng, tương tự như cách bạn có thể tăng khoảng hở đất xung quanh mạng điều chỉnh trở kháng.

Trong bài viết này, tôi sẽ chỉ ra tại sao nhu cầu về khoảng không dưới lớn hơn dưới một kết nối cạnh SMA có thể xuất hiện, cũng như đánh giá nhu cầu về khoảng không bổ sung trên PCB. Tôi cũng sẽ trình bày một số kết quả mô phỏng minh họa ảnh hưởng của khoảng không dưới chân tín hiệu của kết nối.

Điều gì có thể xảy ra trên các Pad Hạ cánh Kết nối SMA Lớn

Khi miếng đệm hạ cánh trên khuôn chân cắm cạnh SMA quá lớn, nó có thể tạo ra khả năng không khớp trở kháng. Khi bạn nhìn vào một chân cắm cạnh SMA như Taoglas EMPCB.SMAFSTJ.B.HT, bạn sẽ thấy rằng chân ở mặt sau của chân cắm khá lớn. Điều này đòi hỏi một miếng đệm hạ cánh rộng hơn và dài hơn để chân cắm có thể được hàn vào cạnh của PCB.

Xem ví dụ dưới đây, nơi một đường dẫn vào 50 Ohm được kết nối với một chân cắm cạnh SMA trong dự án mô-đun nguồn. Nếu bạn nhìn vào miếng đệm như thể nó chỉ là một đường truyền ngắn, bạn sẽ thấy rằng trở kháng đặc trưng của nó khoảng 14 Ohm.

Mặc dù miếng đệm ngắn, nhưng đây là đủ để tạo ra một sự lệch lớn so với trở kháng vào mục tiêu 50 Ohm khi nhìn vào chân cắm cạnh SMA. Điều này đặt ra câu hỏi liệu điều này sẽ tạo ra quá nhiều phản xạ, có thể được đánh giá bằng cách nhìn vào một biểu đồ S11.

Khi xử lý vấn đề này, chúng ta có ba lựa chọn có thể để đảm bảo khớp trở kháng chính xác hơn:

1. Loại bỏ một phần đất dưới pad để độ lệch trở kháng đầu vào là tối thiểu
2. Đặt một phần nối giảm dần giữa đường truyền và pad
3. Cả #1 và #2

Bằng cách đầu tiên loại bỏ một số đất xung quanh pad đáp, có thể tăng trở kháng đầu vào nhìn vào pad để nó gần với 50 Ohm hơn.

Thiết kế Thay thế

Một thiết kế thay thế áp dụng cả hai kỹ thuật được hiển thị dưới đây. Hai thay đổi đã được áp dụng: đặt một khoảng trống đất dưới pad trên L2 và L3, và thêm một phần nối giảm dần ngoài khoảng trống đất (Lựa chọn #3)

Điều gì xảy ra khi đất được loại bỏ trên L2 và L3? Chúng ta vẫn còn đất trên L4 và L1, vì vậy L4 sẽ là tham chiếu dưới cùng cho pad. Điều này cơ bản có nghĩa là chúng ta có một cấu hình dẫn sóng đồng mặt phẳng thay thế; chúng ta chỉ cần điều chỉnh khoảng cách từ pad đến đổ đất trên L1 để đạt được trở kháng mục tiêu 50 Ohm.

Như chúng ta có thể thấy từ kết quả Trở kháng trong Quản lý Xếp Lớp, chúng ta thấy rằng mục tiêu 50 Ohm được đạt cho pad rộng 50 mil của chúng ta bằng cách đơn giản tăng khoảng cách đất đồng mặt phẳng từ 6 mil lên 10 mil.

Trong phần tiếp theo, chúng tôi muốn xem xét đường cong S11 cho kết nối này khi không có khoảng cách đất, chỉ có khoảng cách (Lựa chọn #1), và với sự sắp xếp khoảng cách + phần nối hình nón như đã trình bày ở trên (Lựa chọn #3).

Kết quả S11

Hình dưới đây cho thấy các đường cong S11 mô phỏng cho ba sắp xếp (không có khoảng cách/phần nối hình nón, áp dụng khoảng cách, và khoảng cách + phần nối hình nón). Những đường cong này được mô phỏng riêng lẻ trong Simbeor và sau đó được tổng hợp vào Excel. Dòng nét đứt cho thấy tần số hoạt động mục tiêu là 6.3 GHz. Lưu ý rằng thân kết nối không phải là một phần của mô phỏng; một mô phỏng chính xác hơn nhiều sẽ yêu cầu bao gồm thân kết nối và thực hiện mô phỏng trường 3D với nó, hoặc bao gồm thân kết nối như một phần của mạng tuyến tính cho hệ thống này.

Kết quả trên cho thấy sắp xếp khoảng cách GND mà không có phần nối hình nón cung cấp hiệu suất tốt nhất tại tần số mục tiêu, mặc dù thiết kế với phần nối hình nón vẫn sẽ được chấp nhận. Thiết kế với phần nối hình nón có thể được cải thiện vì quy trình thiết kế phần nối hình nón nghiêm ngặt không được áp dụng trong ví dụ đơn giản này. Hãy thử điều chỉnh chiều dài và hồ sơ phần nối hình nón cho chính bạn và xem bạn có được kết quả tốt hơn không; bạn cũng có thể theo dõi hướng dẫn được liên kết bên dưới.

• Tìm hiểu thêm về thiết kế phần nối hình nón cho PCB RF

Các kết nối SMA khác Có Thể Hoạt Động Tốt Hơn

Có những loại đầu nối SMA khác có thể không yêu cầu khoảng trống dưới chân tín hiệu như trường hợp của đầu nối cạnh được hiển thị ở trên. Những đầu nối SMA khác này, như Amphenol 901-10511-1 được hiển thị dưới đây, sử dụng một chân tín hiệu nhỏ hơn nhiều, và chân này sẽ yêu cầu một bàn đạp nhỏ hơn để đảm bảo một lượng hàn đủ lớn.

Do linh kiện này sử dụng một chân tín hiệu nhỏ hơn nhiều ở trung tâm của thân đầu nối, nó không yêu cầu một bàn đạp lớn và việc khớp chân với một đường dẫn mảnh dễ dàng hơn nhiều. Điều này có nghĩa là sẽ tự nhiên có sự khớp chặt chẽ hơn giữa trở kháng đầu vào của bàn đạp khi nhìn vào phía PCB và trở kháng đặc trưng của đường truyền. Do sự khớp chặt chẽ này, bạn có thể chỉ cần loại bỏ một lượng nhỏ đất đồng mặt phẳng. Cũng dễ dàng hơn nhiều để chỉ cần kích thước đường truyền chính xác theo bàn đạp, vì vậy không cần thêm giải pháp khớp nối.

Bất cứ khi nào bạn cần đặt các bộ kết nối và khoảng cách nối đất trong bố cục PCB của mình, hãy sử dụng bộ công cụ thiết kế và sản xuất PCB đầy đủ trong Altium Designer®. Khi bạn đã hoàn thành bố cục PCB và sẵn sàng chia sẻ các tài liệu sản xuất, bạn có thể dễ dàng chia sẻ dữ liệu và phát hành các tệp cho đội ngũ của mình với nền tảng Altium 365™.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.